DISEÑO DE AEROGENERADORES CON IMANES

7/30/2019 DISEO DE AEROGENERADORES CON IMANES

1/129

DISEO DE AEROGENERADORES CON IMANES

PERMANENTES PARA APLICACIONES EN ELECTRIFICACINRURAL

MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVILELECTRICISTA

PAUL BAILLARIE ROSENMANN

PROFESOR GUA:JORGE ROMO LOPEZ

MIEMBROS DE LA COMISIN:

AUGER AYAGUER HUETARIEL VALDENEGRO ESPINOZA

SANTIAGO DE CHILEAGOSTO 2007

UNIVERSIDAD DE CHILEFACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICASDEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA


2/129

ii

RESUMEN DE LA MEMORIAPARA OPTAR AL TTULO DEINGENIERO CIVIL ELECTRICISTA

POR: PAUL BAILLARIEROSENMANN.FECHA:PROF. GUA: Sr. JORGE ROMO L.

DISEO DE AEROGENERADORES CON IMANES PERMANENTES PARA SUUTILIZACIN EN ELECTRIFICACIN RURAL

El objetivo principal de este trabajo consiste en el diseo de un generador

sincrnico a base de imanes permanentes, para su utilizacin con una turbina elica, en

la perspectiva de posibilitar el abastecimiento de energa elctrica en zonas rurales del

pas.

La metodologa utilizada se inicia con el diseo de las caractersticas elctricas

del generador, considerando las caractersticas aerodinmicas de una hlice modelo, a

fin de obtener la respuesta de la turbina elica equipada con el equipo elctrico de

generacin diseado. Posteriormente se presentan los estudios tanto de clima como de

demanda elctrica de una comunidad rural del pas, la cual se escoge para realizar un

clculo de abastecimiento energtico con las mquinas diseadas.

Conocidos los resultados de los clculos, entre los cuales est el porcentaje de la

demanda que es posible abastecer con las mquinas diseadas, se realiza una evaluacin

econmica que considera el costo de construir y operar estas turbinas elicas durante un

determinado perodo de tiempo y el ahorro en consumo de petrleo diesel,

correspondiente al energtico primario de un grupo electrgeno que debera entregar la

energa elctrica ahora generada en base a la energa elica.

Con esto se concluye la factibilidad de la utilizacin de este tipo de turbinas

como solucin al abastecimiento elctrico dentro de zonas rurales, climticamente aptas.


3/129

iii

.A

Mi familia

Mi Padre (Q.E.P.D.)

Mi abuelo (Q.E.P.D.) que me

transmiti el amor por la ciencia


4/129

iv

Agradecimientos

Agradezco en primer lugar a mi familia, que me apoyo durante todo

este largo viaje de altos y bajos que culmina con xito por medio de este

trabajo, a todos muchas gracias por que sin ustedes no lo hubiese

logrado.

Al profesor Jorge Romo, quien me gui y motiv durante la

realizacin de este trabajo.

A los profesores Ariel Valdenegro y Auger Ayaguer quienes

siempre tuvieron su puerta abierta para recibirme.

Al profesor Jos Rutllant y a Carolina Meruane, quienes me

ayudaron en el desarrollo del captulo 4.

A todos mis compaeros durante esta carrera, que uno u otro

momento compartieron conmigo e hicieron ms placentero el estudio de

esta carrera.

A todos mis compaeros memoristas del rea de energa que

hicieron que la realizacin de este trabajo fuese realmente agradable.

Se agradece el apoyo del Proyecto Fondecyt # 1050346


5/129

v

ndice

Pgina1. INTRODUCCIN.........................................................................................................................................1

1.1.MOTIVACIN ............................................................................................................................................1

1.2.OBJETIVOS Y ALCANCES ...........................................................................................................................2

1.3.ETAPAS DEL TRABAJO ..............................................................................................................................3

1.4.ESTADO DEL ARTE ....................................................................................................................................3

1.4.1. Electrificacin rural en Chile hoy....................................................................................................3

1.4.2. Potencial del recurso elico en Chile...............................................................................................6

1.4.3. Proyectos de generacin con energa elica en operacin...............................................................7

1.4.3.1. Proyectos conectados a sistemas elctricos...............................................................................................71.4.3.2. Proyectos aislados para abastecimiento de pequeas localidades .............................................................7

1.4.4 Proyectos de generacin elica a implementarse en el futuro ........... .......... ........... .......... ........... .....81.4.4.1. Central Canela...........................................................................................................................................81.4.4.2. Central Concepcin...................................................................................................................................9

2. GENERALIDADES SOBRE LA CONVERSIN ELECTROMECNICA DE LA ENERGA

ELICA...........................................................................................................................................................10

2.1.ENERGA ELICA ....................................................................................................................................10

2.2.RELACIN POTENCIA MECNICA - VELOCIDAD DEL VIENTO ...................................................................11

2.3.DESCRIPCIN GENERAL DE UN AEROGENERADOR Y SUS COMPONENTES.................................................14

2.3.1. Sistema de Soporte ........................................................................................................................14

2.3.2. Sistema de Transmisin.................................................................................................................17

2.3.3. Sistema Rotor o Turbina elica .....................................................................................................18

2.3.4. Sistema de control..........................................................................................................................18

2.4.GENERADOR SINCRNICO.......................................................................................................................19

3. DISEO DEL SISTEMA DE ELECTRIFICACIN..............................................................................23

3.1.CONSIDERACIONES GENERALES DEL GENERADOR SINCRNICO DE FLUJO AXIAL ....................................23

3.1.1. Principio de funcionamiento..........................................................................................................23

3.1.2. Justificacin de la solucin propuesta............................................................................................24

3.2ASPA A UTILIZAR PARA EL DISEO ..........................................................................................................25

3.3DISEO DEL GENERADOR ........................................................................................................................26

3.3.1. Eleccin de los imanes a utilizar....................................................................................................29

3.3.2. Obtencin de la relacin entre velocidad de viento y coeficiente de potencia de la mquina .......29


6/129


7/129

vii

8.1.TRABAJOS FUTUROS .............................................................................................................................110

9. REFERENCIAS........................................................................................................................................112

ANEXO 1. ......................................................................................................................................................117

ANEXO 2. ......................................................................................................................................................119


8/129

viii

ndice de ilustraciones

PginaFIGURA 1.1: COBERTURA ELECTRIFICACIN RURAL A NIVEL PAS...................................................................5

FIGURA 1.2: COBERTURA ELECTRIFICACIN RURAL POR REGIONES................................................................5

FIGURA 2.1.: INTERACCIN DEL ROTOR CON EL FLUJO DE AIRE......................................................................12

FIGURA 2.2.: TIPOS DE TORRE.....................................................................................................................................15

FIGURA 2.3.: SISTEMA DE TRANSMISIN.................................................................................................................17

FIGURA 2.4.: EJEMPLOS DE ASPAS.............................................................................................................................18

FIGURA 3.1.: ESTRUCTURA DE UN GENERADOR DE FLUJO AXIAL....................................................................24

FIGURA 3.2.: SOLUCIONES COMPLEJAS CONJUGADAS.........................................................................................31

FIGURA 3.3.: SOLUCIONES REALES............................................................................................................................32

FIGURA 3.4.: COEFICIENTE DE POTENCIA EN FUNCIN DE LA RVP ..................................................................33

FIGURA 3.5.: DIAGRAMA DE UBICACIN DE BOBINAS DEL ESTATOR .............................................................39

FIGURA 3.6.: DIAGRAMA DEL CUERPO DEL GENERADOR ...................................................................................45

FIGURA 3.7.: MODELO EQUIVALENTE DE LA MQUINA ......................................................................................48

FIGURA 3.8.: ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DEL PROGRAMA DE SIMULACIN......................................51

FIGURA 3.9.: RESULTADOS DE LA SIMULACIN ....................................................................................................52FIGURA 3.10.: RESULTADOS DE LA SIMULACIN RVP = 10,4 ..............................................................................53

FIGURA 3.11: CARACTERSTICA VOLTAJE-CORRIENTE DE UN DIODO.............................................................57

FIGURA 3.12: CARACTERSTICA VOLTAJE-CORRIENTE DE UN SCR..................................................................58

FIGURA 3.13.: RECTIFICADOR TRIFSICO TIPO PUENTE DE GRAETZ. ..............................................................60

FIGURA 4.1.: VELOCIDAD DE VIENTO PROMEDIO DIARIA EN OLLAGE MEDIDA A 20 METROS DE

ALTURA ..................................................................................................................................................................73

FIGURA 4.2.: DISTRIBUCIN DE VELOCIDAD DEL VIENTO EN OLLAGE........................................................73

FIGURA 4.3.: PROMEDIO DE VELOCIDAD DE VIENTOS MENSUALES ................................................................74

FIGURA 4.4.: ALTURA VS. VELOCIDAD Y ROSA DE LOS VIENTOS EN OLLAGE...........................................74

FIGURA 4.5.: DIAGRAMA TERMODINMICO ...........................................................................................................77

FIGURA 4.6.: DENSIDAD DEL AIRE A LO LARGO DEL AO ..................................................................................78

FIGURA 4.7.: VARIACIN DEL PRODUCTO DENSIDAD*VIENTO3........................................................................79


9/129

ix

FIGURA 4.8.: MAPA DE LA LOCALIDAD DE OLLAGE ..........................................................................................81

FIGURA 4.9.: FOTO SATELITAL DE LA LOCALIDAD DE OLLAGE .....................................................................83

FIGURA 4.10.: FOTO SATELITAL DONDE SE MUESTRA LAS ZONAS DE POSIBLE INSTALACIN................84

FIGURA 4.11.: DISTANCIA A LA ZONA 1 ....................................................................................................................85

FIGURA 4.12.: DISTANCIA A LA ZONA 2 ....................................................................................................................86

FIGURA 4.13.: ACTUAL COMPORTAMIENTO DIARIO DE LA DEMANDA ELCTRICA DE OLLAGE...........89

FIGURA 5.1.: COMPARACIN DE GENERACIN ENTRE DISTINTAS RVP ..........................................................92

FIGURA 5.2.: PORCENTAJE DE ABASTECIMIENTO DE LA LOCALIDAD SEGN RVP DE OPERACIN ........93

FIGURA 5.2.: SITUACIN INICILA, RVP ALTA..........................................................................................................95

FIGURA 5.3.: SITUACIN INICILA, RVP PTIMA .....................................................................................................96FIGURA 6.1.: COORDENADAS EN LA RAZ DEL ASPA............................................................................................99

FIGURA 7.1.: EVOLUCIN PRECIO DEL PETRLEO DIESEL EN EL 2007...........................................................105

FIGURA A1.1: TUBO DE CORRIENTE........................................................................................................................117

FIGURA A2.1.: ESQUEMA DE CONEXIN LMPARA DE DIODOS ZENER........................................................119


10/129

x

ndice de Tablas

PginaTABLA 3.1.: NGULO DE PASO DE LA HLICE .........................................................................................................26

TABLA 3.2.: PERFILES AERODINMICOS DE LA HLICE .......................................................................................26

TABLA 3.3.: DIMENSIONES DE LOS IMANES .............................................................................................................29

TABLA 3.4.: RESUMEN RESULTADOS DE LA SIMULACIN ...................................................................................53

TABLA 3.5.: RESUMEN RESULTADOS DE LA SIMULACIN RVP = 10,4...............................................................54

TABLA 3.6.: CARACTERSTICAS DEL RECTIFICADOR ............................................................................................63

TABLA 3.7.: CARACTERSTICAS DEL CHOPPER .......................................................................................................67

TABLA 3.8.: CARACTERSTICAS DEL INVERSOR .....................................................................................................68

TABLA 4.1.: VALORES PROMEDIO DE TEMPERATURAS (C) PARA UN PERODO DE 5 AOS .......................75

TABLA 4.2.: VALORES PROMEDIO DE HUMEDAD RELATIVA (%) PARA UN PERODO DE 5 AOS...............75

TABLA 4.3.: DIFERENCIA ENTRE ALTURAS DEL ROTOR .......................................................................................80

TABLA 4.4.: MANZANAS QUE CONFORMAN LA LOCALIDAD DE OLLAGE.....................................................82

TABLA 4.5: DESCRIPCIN DE POSIBLES ZONAS DE INSTALACIN DE LOS AEROGENERADORES............. 84

TABLA 4.6.: HORARIOS DE OPERACIN DE LOS GENERADORES DIESEL .........................................................88

TABLA 5.1.: CLCULO DE GENERACIN DE ENERGA ANUAL............................................................................91

TABLA 5.2.: CLCULO DE GENERACIN DE ENERGA ANUAL............................................................................91

TABLA 5.3.: PORCENTAJE DE DEMANDA ABASTECIDA SEGN RVP DE OPERACIN....................................92

TABLA 6.1.: VALORES DE DIVERSOS PARMETROS MECNICOS DE UN ASPA DE HELICPTERO..........100

TABLA 6.2.: EJEMPLOS DE VELOCIDADES DE SUPERVIVENCIA........................................................................101

TABLA 7.1.: TEMS PARA LA REALIZACIN DEL PROYECTO.............................................................................102

TABLA 7.2.: PRECIOS DE INSUMOS ...........................................................................................................................103

TABLA 7.3.: PROVEEDORES ........................................................................................................................................104TABLA 7.4.: PRECIO DE PARIDAD DEL PETRLEO DIESEL EN EL 2007 ............................................................105

TABLA 7.5.: EXTRAPOLACIN DEL PRECIO DE PARIDAD DEL PETRLEO DIESEL.......................................106

TABLA 7.6.: BALANCE ECONMICO DEL PROYECTO...........................................................................................107

TABLA 7.7.: VAN DEL PROYECTO PARA DIFERENTES HORIZONTES DE EVALUACIN ..............................107

TABLA 7.8.: VAN DEL PROYECTO REACONDICIONANDO HLICES DE HELICPTERO................................108


11/129

1

1. INTRODUCCIN

En el presente captulo se realiza una presentacin general del trabajo,

comenzando por la motivacin del mismo para luego mostrar sus objetivos, alcances y

principales etapas a desarrollar. Adems se aborda el estado del arte de la electrificacin

rural y explotacin del recurso elico en Chile.

1.1. Motivacin

Desde hace algunos aos se ha hecho diversos estudios sobre el consumo de

energa elctrica en diferentes pases y el nivel de desarrollo de los mismos. Estos han

mostrado que el consumo de energa elctrica tiene una relacin directa con el grado de

desarrollo de los pases y la calidad de vida de su poblacin.

Hoy, nuestro pas posee una economa pujante, que nos ha brindado la

oportunidad de suscribir diversos tratados de libre comercio con diferentes pases

industrializados en el mundo, otorgndonos una gran oportunidad para dar un salto en elcrecimiento del pas que conlleve una mejor calidad de vida para todos sus habitantes.

Por tanto, no deberan existir poblados a lo largo del pas carentes de sistemas de

electrificacin y sin un abastecimiento seguro y continuo de energa elctrica, situacin

que se contrapone al notorio desarrollo que se aprecia en las grandes urbes de Chile.

Es en este contexto que se plantea el presente trabajo, donde se desea abordar la

problemtica de la electrificacin rural, buscando una solucin factible, efectiva y que

sea de largo aliento. Los tratados internacionales no slo suscriben bajas arancelarias,

sino que tambin conllevan responsabilidades con el medio ambiente, mediante diversas

normas, principalmente de emisin de contaminantes, acordadas entre las partes. Por

otro lado, los problemas enfrentados ltimamente en cuanto al dficit e incremento de


12/129

2

precio del energtico primario en la generacin de energa elctrica, junto con la certeza

del futuro agotamiento de las reservas de combustibles fsiles, crean la necesidad de

buscar la energa primaria en fuentes limpias, renovables y cuya adquisicin o

explotacin se pueda realizar en forma autnoma.

As nace la idea de disear un sistema de abastecimiento de energa elctrica

basado en el uso de aerogeneradores para su implementacin en electrificacin rural,

siendo ste el objetivo principal del presente trabajo de ttulo.

1.2. Objetivos y alcances

Los principales objetivos que persigue concretar este trabajo son los siguientes:

Abordar la problemtica de la electrificacin rural, proponiendo como solucin el

implementar aerogeneradores de flujo axial con imanes permanentes.

Aplicar dicha solucin a una comunidad rural, segn las necesidades de dicha

comunidad.

Con el fin de llevar a cabo los objetivos antes expuestos, acotando los resultados

esperados, se presentan los alcances del trabajo de ttulo:

Diseo y especificacin de los componentes elctricos del aerogenerador.

Especificacin de los componentes mecnicos del aerogenerador.

Diseo y especificacin del control de la potencia generada, en este caso mediante

electrnica de potencia, lo cual incluye:

o Diseo y especificacin de un rectificador

o Diseo y especificacin de un equipo de control de tensin continua

o Diseo y especificacin de un inversor

o Especificacin de un sistema de almacenamiento de energa


13/129

3

Realizacin de clculos para estimar el comportamiento del diseo propuesto y

comprobar las dimensiones de los equipos diseados.

1.3. Etapas del trabajo

El trabajo ser divido en cinco etapas principales, las que se deber realizar en

forma sucesiva. Estas etapas, que dan origen a los captulos principales de la memoria

(captulos del 3 al 7), son:

Diseo del sistema de electrificacin; esto incluye: generacin, rectificacin,almacenamiento de energa e inversin

Estudio climtico de una comunidad rural de Chile y de su demanda elctrica

Desarrollo del proyecto de electrificacin de la comunidad con la mquina antes

diseada

Especificaciones mecnicas de los equipos, donde se expresen las limitaciones de

stos, por ejemplo, debido a rfagas

Evaluacin econmica

1.4. Estado del arte

1.4.1. Electrificacin rural en Chile hoy

A fines de 1994, la Comisin Nacional de Energa (CNE) cre el Programa

Nacional de Electrificacin Rural (PER), donde se fijaron como objetivos: dar solucin a

las carencias de electricidad en el medio rural, disminuyendo los incentivos que generan

las migraciones hacia zonas urbanas, fomentando el desarrollo productivo y garantizado

un flujo estable de inversiones pblicas para tales efectos.


14/129

4

Posteriormente los resultados del Censo de Poblacin y Vivienda, realizado el 24

de Abril del 2002, mostraron el fuerte impacto logrado por el Programa Nacional de

Electrificacin Rural que permiti en diez aos pasar de una cobertura nacional del

53,15% a una del 85,71%. Cifras, que le permiten a Chile ubicase junto a Costa Rica

como el pas de ms alta cobertura de electrificacin rural de Amrica Latina.

Mientras entre 1982 y 1992 se increment en 14,8% el nmero de viviendas

rurales con electricidad, entre 1992 y 2002 el aumento fue de 32,6%, lo que corresponde

a 193.147 nuevas viviendas rurales dotadas de energa elctrica.

Durante los aos 2000, 2001 y 2002, se electrificaron ms de 30.000 nuevas

viviendas rurales, con una inversin pblica a travs del Fondo Nacional de Desarrollo

Regional (FNDR) de 24.791 millones de pesos a diciembre de 2002, equivalentes a 37

millones de dlares.

Desglosando esta realidad pas, en las diferentes regiones que lo componen,

cuatro regiones resaltan como las de mayor desarrollo, al superar el 90% de cobertura,

stas son: V Regin de Valparaso, VI Regin del Libertador Bernardo OHiggins, VII

Regin del Maule y la Regin Metropolitana.

Adems, se destacan las regiones con mayor crecimiento, siendo en este caso la

IX Regin de La Araucana, que ascendi de un 23% a un 76% (53% de incremento), y

la X Regin de Los Lagos que pas de un 38% a un 79% (41% de incremento) de

viviendas rurales electrificadas entre 1992 y 2002. Estas regiones son las que concentran

los ms altos niveles de ruralidad, con el mayor nmero de viviendas rurales y con una

fuerte concentracin de poblacin indgena.

Las cifras anteriores se pueden visualizar en las figuras 1.1 y 1.2. [1]


15/129

5

Figura 1.1: Cobertura electrificacin rural a nivel pas

Figura 1.2: Cobertura electrificacin rural por regiones


16/129

6

1.4.2. Potencial del recurso elico en Chile

En Chile se han realizado algunos estudios tendientes a caracterizar parcialmente

el potencial energtico elico nacional, adems de existir otros en ejecucin. Uno de

ellos corresponde al realizado durante 1992, cuando se hizo una recopilacin de la

mayora de la informacin de viento disponible hasta esa fecha, a partir de la cual se

evalu el recurso elico en lugares con informacin confiable. Dicho proyecto fue

realizado por la CORFO bajo el nombre de Evaluacin del potencial de energa elica

en Chile. Sin embargo, dada la baja densidad y caractersticas de las estaciones

meteorolgicas disponibles, el estudio no permiti tener una visualizacin ntegra del

potencial elico de Chile. El informe final de dicho estudio, as como las bases de datos

en l desarrolladas, estn disponibles en [2].

Recientemente, CNE ha realizado el estudio "Mejora del conocimiento del

recurso elico en el norte y centro del pas", el cual actualiza el estudio previo hecho por

CORFO en lo referido a recopilacin y anlisis de informacin meteorolgica de

superficie para las regiones III, IV y V del pas y desarrolla una evaluacin preliminardel potencial elico entre la I y IX Regin, basado en el reprocesamiento de resultados

disponibles de modelos meteorolgicos de mesoescala. Este estudio logra identificar

algunas zonas costeras en las regiones analizadas, donde tanto la informacin

observacional recopilada como los resultados de los modelos de mesoescala, sealan un

potencial elico interesante.

Adems de los estudios recin mencionados, el Laboratorio de Energas

Renovables de los Estados Unidos (NREL) desarroll para CNE un mapa preliminar del

potencial elico del archipilago de Chilo, orientado a la evaluacin del recurso para

aplicaciones rurales no conectadas a red. Este mapa ha permitido elaborar una cartera de

proyectos hbridos Elico - Diesel para abastecer a ms de 3100 familias distribuidas en

32 islas del Archipilago.


17/129

7

A pesar de que la informacin puede considerarse un tanto escasa, es posible

identificar zonas que pueden contar con niveles de viento que permitan su

aprovechamiento con fines de generacin elctrica. Entre ellas estn:

Zona de Calama en la II Regin y, eventualmente, otras zonas altiplnicas.

Sector costero y zonas de cerros de la IV Regin y, eventualmente, de las otras

regiones del norte del pas.

Puntas que penetran al ocano en la costa de la zona norte y central.

Islas espordicas.

Zonas costeras abiertas al ocano y zonas abiertas hacia las pampas patagnicas en

las regiones XI y XII: Estas ltimas han demostrado tener un excelente recurso

elico.

1.4.3. Proyectos de generacin con energa elica en operacin

1.4.3.1. Proyectos conectados a sistemas elctricos

En la actualidad existe en operacin en Chile uno de estos proyectos: "Alto

Baguales". Corresponde a un parque de tres aerogeneradores (660 kW cada uno) con una

capacidad conjunta de 2 MW nominal. Se encuentra conectado desde noviembre de

2001 al Sistema Elctrico de Aysn, que atiende a 19.000 familias de la XI Regin del

pas. El propietario del proyecto es la Empresa Elctrica de Aysn.

1.4.3.2. Proyectos aislados para abastecimiento de pequeas localidades

Tanto como parte del Programa de Electrificacin Rural, como motivados por

algunas iniciativas privadas, de cooperacin internacional y/o de investigacin


18/129

8

acadmica, se han materializado pequeos proyectos de generacin elica en localidades

rurales del pas.

Desde un punto de vista de tamao, el ms relevante es el Proyecto Piloto de

Generacin Elica en la Isla Tac, en el Archipilago de Chilo (X Regin). El proyecto

se encuentra en operacin desde octubre del 2000 y corresponde a un sistema hbrido

elico-diesel que consta de dos aerogeneradores de 7,5 kW cada uno. Ha beneficiado a

79 familias y a 3 centros comunitarios de la isla.

1.4.4 Proyectos de generacin elica a implementarse en el futuro

El futuro de la generacin elica en Chile se ve muy auspicioso, esto debido al

anuncio hecho por parte del gobierno de lograr que un 15% de la capacidad instalada de

generacin elctrica para el ao 2010, sean centrales que usen como energtico primario

fuentes de energa renovables no convencionales, como el caso de la energa elica. [3].

Gracias a esto, se ha planificado la construccin de dos centrales elicas: Concepcin y

Canela.

1.4.4.1. Central Canela

Central que se construir en la IV regin del pas, con una capacidad, en primera

instancia, de 9,9 MW, y proyectada para un inicio de operacin en el mes de Septiembre

de 2007. Esta central constara de 6 aerogeneradores de 1,65 MW cada uno, con lo que

alcanzara una generacin de 26 GWh al ao, con una inversin de US$ 17 millones.

La zona es de alta estabilidad de vientos con velocidades medias de 6,3 m/s, y

con un potencial que flucta entre los 60 y 80 MW [4] [5].


19/129


20/129

10

2. GENERALIDADES SOBRE LA CONVERSIN

ELECTROMECNICA DE LA ENERGA ELICA

El presente captulo tiene como finalidad el proporcionar ciertos conocimientos

bsicos al lector con respecto a la energa elica y los mtodos utilizados para realizar su

conversin electromecnica, dando especial nfasis en la utilizacin de generadores

sincrnicos, que corresponden a la propuesta realizada en este trabajo.

2.1. Energa elica

La energa elica se considera una forma indirecta de energa solar. Entre el 1 y

2% de la energa proveniente del Sol se convierte en energa cintica dando origen al

viento, esto por el calentamiento desigual del aire en distintas regiones, calentamiento

que provoca una variacin en la densidad del mismo y por tanto diferencias en la presin

ejercida por la masa de aire en la superficie terrestre. Luego, son estas diferencias de

presin las que producen los movimientos de grandes masas de aire, que son finalmenteel viento que nosotros percibimos en la superficie. La energa cintica de estas masas de

aire, el viento, puede transformarse en energa mecnica til.

La energa elica, transformada en energa mecnica ha sido histricamente

aprovechada, pero su uso para la generacin de energa elctrica es ms reciente,

existiendo aplicaciones de mayor escala slo desde mediados de la dcada del 70, en

respuesta a la crisis del petrleo y a los impactos ambientales derivados del uso de

combustibles fsiles.

Una de las caractersticas de este recurso es su condicin aleatoria y variable, por

cuanto depende de condiciones atmosfricas que no pueden ser controladas ni


21/129

11

modificadas. Esto lleva a que se requieran exhaustivas mediciones como condicin

previa para el desarrollo de proyectos destinados a su aprovechamiento.

2.2. Relacin potencia mecnica - velocidad del viento

El funcionamiento bsico de un aerogenerador se podra resumir como sigue: Un

aerogenerador capta la energa cintica del viento por medio del rotor y aspas, para

posteriormente transformar esta energa cintica en energa elctrica [8]. Luego, si se

desea conocer la potencia que puede tener un aerogenerador, es necesario especificar la

energa cintica proporcionada por el viento que se dispone.

La energa cintica de una masa aire determinada est dada por la relacin (2.1)

2

2

1mvE

C=

(2.1)

Donde:

EC: Energa cintica

m: Masa del aire considerado

v: Velocidad del aire

O bien la expresin (2.2)

2

21 vVE

C= (2.2)


22/129

12

Donde:

V: Volumen del aire desplazado

: Densidad del aire

Por otro lado, el volumen de aire que llega al rea de barrido del rotor en un

determinado tiempo est dado por la relacin (2.3)

AvtV = (2.3)

Donde:

A: rea de barrido del rotor

t: Intervalo de tiempo considerado

En la figura (2.1) se ilustra la relacin expuesta

Figura 2.1.: Interaccin del rotor con el flujo de aire

Sustituyendo (2.3) en la expresin (2.2), se llega a:


23/129

13

3

2

1vAtEC =

(2.4)

Considerando que la potencia es la derivada de la energa con respecto al tiempo,

es posible deducir finalmente la relacin entre la potencia contenida en una masa de aire

y la velocidad a la cual esta se mueve, relacin expresada en (2.5).

3

2

1vAPV =

(2.5)

Si bien Pv no corresponde a la potencia total que se podr extraer por medio de la

turbina, resulta ser proporcional a sta.

De esta forma se explica por que la potencia mecnica de una turbina elica es

proporcional al cubo de la velocidad del viento, hecho en el cual radica la importancia

de conocer el comportamiento del viento en cualquier zona donde se evale instalar un

aerogenerador.

Cabe indicar que el anlisis anterior corresponde a turbinas elicas del tipo hlice

de eje horizontal, que es el usado en la mayora de los casos.

Finalmente, la potencia que ser transmitida al aspa, corresponde a un porcentaje

de la potencia del viento, y depender de diversos factores constructivos de la misma,

los que influyen en el denominado coeficiente de potencia, definido como CP,correspondiente al cuociente entre la potencia extrada por la turbina y la potencia del

viento. Los valores acostumbrados para este coeficiente en este tipo de mquinas son del

orden de 40%. Mayor detalle sobre el coeficiente de potencia se presenta en el Anexo 1,

donde se trata la ley de Betz [8], que demuestra que CP tiene un lmite terico de 59% (=

16/27).


24/129

14

De esta forma, la potencia extrada por la turbina corresponde a:

3

2

1vACPCP PVPT ==

(2.6)

En que a los trminos ya definidos se agrega Cp (ver Anexo 1).

2.3. Descripcin general de un aerogenerador y sus componentes

Los aerogeneradores, con hlice de eje horizontal, por lo general, responden a un

diseo relativamente estandarizado, conformado por las siguientes partes fundamentales

[9]:

1. Sistema de soporte

2. Sistema de transmisin o eje de potencia

3. Sistema rotor o turbina elica

4. Sistema de control

2.3.1. Sistema de Soporte

Consiste en la torre de soporte del aerogenerador y su correspondiente fundacin

de anclaje. Su funcin es mantener el aerogenerador a la altura correcta de

funcionamiento por sobre el nivel del suelo, debiendo ser capaz de tolerar el peso de stey las diversas exigencias que conllevan la exposicin a fuertes vientos y el sostener un

cuerpo de gran envergadura rotando.


25/129

15

Hay cuatro tipos de torres: tubulares, de celosa (o enrejado), de mstil tensado e

hbridas, tal como se aprecia en la figura 2.2. [10]

Figura 2.2.: Tipos de torre

Las torres de tipo celosa facilitan la circulacin de aire a travs de la misma,

disminuyendo las solicitaciones mecnicas sobre el rotor de la mquina. Estas pueden

estar hechas de hierro o madera. Otra ventaja de las torres de celosa es su costo, puesto

que una torre de celosa requiere slo la mitad de material que una torre tubular sin

sustentacin adicional con la misma rigidez.


26/129

16

Los diseos tubulares son construidos en metal o concreto, y requieren escaso

mantenimiento, menor que el caso de la torre de celosa. La mayora de los grandes

aerogeneradores se entregan con torres tubulares de acero, fabricadas en secciones de

20-30 metros con bridas en cada uno de los extremos, y son unidas con pernos en el

lugar de instalacin. Las torres son tronco-cnicas (es decir, con un dimetro creciente

hacia la base), con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material.

Muchos de los aerogeneradores pequeos estn construidos con delgadas torres

de mstil sostenidas por cables tensores. La ventaja es el ahorro de peso y, por lo tanto,

de costo. Las desventajas son el difcil acceso a las zonas alrededor de la torre, lo que lashace menos apropiadas para zonas agrcolas.

Algunas torres estn hechas con diferentes combinaciones de las ya

mencionadas, como se aprecia en la figura 2.2., donde se aprecia lo que podra decirse

que es un hbrido entre una torre de celosa y una torre tensada.

Las fundaciones se realizan de concreto reforzado, y deben ser acordes con la

altura de la torre y la envergadura de la mquina rotatoria que sta debe soportar.

En la zona superior de la torre debe existir un cabezal y una plataforma, que

permitan anclar el aerogenerador a la torre y a la vez lo deje libre de rotar para orientarse

segn la direccin del viento.


27/129

17

2.3.2. Sistema de Transmisin

Compuesto por el eje de rotacin, la caja amplificadora de revoluciones y el

generador elctrico. Su funcin principal consiste en trasmitir la energa cintica de la

rotacin de las aspas al generador elctrico, equipo que se encarga de transformar esta

energa cintica en energa elctrica.

El generador elctrico puede ser de diversos tipos, ya sea de corriente alterna o

continua. Sin embargo los ms usados en la industria hoy en da son los generadoreselctricos de corriente alterna, de preferencia generadores sincrnicos, principalmente

para mquinas de baja potencia (menores a 100 kW) y generadores de induccin,

principalmente en mquinas de alta potencia (mayores a 100 kW).

La caja amplificadora de revoluciones es un componente opcional, que slo se

ocupa de modificar la velocidad de giro del eje que conecta con el generador elctrico.

Luego, dependiendo del criterio de diseo de la mquina y la forma de operar de sta,

puede considerarse o no. (Figura 2.3.).

Figura 2.3.: Sistema de transmisin


28/129

18

2.3.3. Sistema Rotor o Turbina elica

Est compuesto por el conjunto de aspas y una masa central, que en conjunto

conforman la hlice, encargada de extraer parte de la energa cintica del viento y

transformarla en energa cintica de rotacin del eje del aerogenerador.

Las aspas pueden seguir diversos perfiles aerodinmicos, diseados para poder

captar la mxima energa cintica.

A su vez la hlice puede estar compuesta ya sea por una, dos, tres o ms aspas,

siendo el modelo de tres aspas el que predomina fuertemente en el mercado mundial de

aerogeneradores. (Figura 2.4.).

Figura 2.4.: Ejemplos de aspas

2.3.4. Sistema de control

Segn sea la forma de operacin del aerogenerador, se eligen distintos tipos de

control de ste. El principal objetivo del sistema de control apunta a mantener constante

el nivel del voltaje generado por la mquina, tarea que se ve dificultada por la naturaleza


29/129

19

errtica y variable de la intensidad y direccin del viento, lo que genera fluctuaciones en

los niveles de tensin que se registran en bornes de la mquina.

Los dos sistemas principales de control se mencionan en la seccin siguiente.

2.4. Generador sincrnico

Una vez extrada la potencia del viento, y traspasada al eje del aerogenerador, es

necesario convertir esa potencia mecnica de giro en potencia elctrica. Con este fin se

acopla un generador sincrnico a este eje en movimiento.

Un generador sincrnico monofsico consiste en una mquina rotatoria elemental

formada por un campo magntico constante en el tiempo que gira y una bobina plana

esttica; luego, dicha rotacin del campo provoca una variacin temporal del flujo

magntico que atraviesa la bobina plana, luego esta variacin induce un voltaje alterno

sinusoidal en los terminales de la bobina debido a la variacin en el tiempo del flujo

enlazado por sta. La frecuencia de esta sinusoide de voltaje, tendr relacin directa conla frecuencia de giro de la bobina que enlaza el flujo magntico, de ah nace el nombre

sincrnico, puesto que ambas frecuencias, tanto la mecnica de giro del campo como la

elctrica del voltaje, estn sincronizadas, de acuerdo al nmero de polos magnticos

(encargados de generar el campo magntico que atraviesa la bobina) que posea el

generador.

En los diseos prcticos, la configuracin antes descrita se adopta para facilitar el

acceso a las bobinas, puesto que si estas estuvieran movindose, el empleo de contactos

rozantes para mantener la conduccin de corriente elctrica resultara una solucin ms

compleja.


30/129

20

En cuanto a los polos de la mquina, se puede encontrar que para un enrollado de

estator de p polos, frente al cual gira a ns rpm un campo magntico tambin de p polos,

la frecuencia del voltaje generado est dada por la relacin (2.7).

120Spnf =

(2.7)

Donde:

f: Frecuencia (Hz)p: Nmero de polos (siempre debe ser par)

ns: Velocidad de giro (rpm)

Esto es independiente del nmero de fases del generador n. Al respecto cabe

recordar que cada fase del generador corresponde a una bobina o un arreglo de bobinas

de p polos, que enlaza el flujo magntico del rotor de la mquina. Las fases son idnticas

en su configuracin, estn aisladas elctricamente entre s y desplazadas angularmente

en el espacio a una distancia (geom) (exceptuando el caso bifsico, en que n = 2 y

= 90(1/(p/2)))

2

1360pn

= (2.8)

De esta forma se obtiene una generacin equilibrada que permita la utilizacin de

todas las fases en un mismo sistema elctrico, de lo contrario, la generacin obtenida en

cada fase no podra suministrarse al mismo sistema sin que esto conlleve problemas a

los equipos.


31/129

21

Hoy en da se utilizan principalmente sistemas de generacin trifsicos, es decir,

que constan de tres grupos de bobinas aislados elctricamente, colocados en forma equi-

espaciados ( = 120(1/(p/2)) elec) a lo largo del estator. Por ello se seguir de ahora en

adelante desarrollando el diseo de un equipo de generacin trifsica.

Es importante notar de la expresin (2.7) que para mantener constante la

frecuencia del voltaje generado, tal como lo requieren la gran mayora de los equipos

que se usan en la actualidad, las variables que se pueden manipular son el nmero de

polos o la velocidad de rotacin mecnica. Como el proyecto consiste en suministrar

energa a una comunidad aislada de la red mediante generacin elica, las formas decontrolar la frecuencia seran dos:

1. Controlar la velocidad de giro del eje del generador ya que sta depende de la

velocidad instantnea del viento.

2. Rectificar el voltaje generado para luego invertirlo en forma controlada logrando

la magnitud y frecuencia deseadas (ver figura 2.5.)

Considerando las diferentes complejidades que ofrecen ambas alternativas, se

decide optar por la segunda, ya que el control de velocidad del eje del aerogenerador

implica utilizar equipos de control en lnea de alta sofisticacin, que no se justifican para

una mquina de poco tamao como la que se plantea aqu.

Por otro lado, cabe mencionar que cada generador tendr sus propios equipos de

electrnica de potencia, de esta forma se logra independencia entre las mquinas, lo que

permite una implementacin gradual de la solucin, en el caso que la localidad a

abastecer requiera ms de una mquina, permitiendo que la comunidad pase por etapas

de abastecimiento hbrida elica-diesel, lo que permitira realizar un cambio ms

controlado y seguro.


32/129

22

El esquema de generacin correspondiente a la opcin elegida se muestra en la

figura 2.5.

Figura 2.5.: Esquema de generacin


33/129

23

3. DISEO DEL SISTEMA DE ELECTRIFICACIN

En este captulo, se presenta con ms detalle, la solucin propuesta consistente en

un aerogenerador de flujo axial con imanes permanentes, se realiza el diseo en s del

aerogenerador, junto con los equipos de electrnica de potencia que se requieren para la

operacin de ste. Se plantea las ecuaciones de diseo, los supuestos y los criterios

utilizados en el proceso de diseo, obtenindose los valores que especifican la mquina.

Adems se presenta una breve justificacin de la propuesta desarrollada en este trabajo.

3.1. Consideraciones generales del generador sincrnico de flujo axial

Segn los requerimientos del problema planteado, es recomendable el diseo de

un generador sincrnico de flujo axial, cuya relacin entre la frecuencia del voltaje

generado y velocidad de rotacin se describe con la misma expresin del generador

sincrnico convencional. En este caso el nmero de polos corresponde al nmero de

imanes que se emplean en los rotores. En los siguientes puntos se hace referencia al

principio de funcionamiento y configuracin de un generador de flujo axial, y adems sejustifica la adopcin de esta solucin.

3.1.1. Principio de funcionamiento

En un generador de flujo axial, el flujo magntico pasa por las bobinas en

direccin paralela al eje de la mquina. Se compone de un rotor frontal, un estator y un

rotor posterior. Ambos rotores estn unidos por un eje longitudinal. La disposicin de

estas partes en el generador se puede apreciar en la figura 3.1.


34/129

24

Figura 3.1.: Estructura de un generador de flujo axial

El estator contiene bobinas de alambre de cobre, en las cuales se induce el voltaje

producto del flujo variable que produce el campo magntico de los imanes permanentes

ubicados en los rotores frontal y posterior. El estator est montado en una base fija,

inmvil.

Los imanes permanentes se ubican de forma tal que el flujo magntico pasa de un

rotor a otro, cruzando a travs de las bobinas del estator, mientras el eje del rotor gira; se

induce as el voltaje sinusoidal en los terminales de las bobinas. Cabe indicar que dicha

configuracin permite el crecimiento de la mquina en forma modular, al agregar otro

estator de bobinas junto con otro rotor de imanes.

3.1.2. Justificacin de la solucin propuesta

Se propone como solucin un aerogenerador de flujo axial, consistente en un

generador sincrnico confeccionado con discos mviles de imanes permanentes para


35/129

25

obtener el flujo magntico de campo y discos fijos de enrollados que conforman el

estator. Las ventajas de este diseo, por las cuales se eligi como solucin propuesta,

son las que se exponen a continuacin: [11] [12]

Acoplamiento directo de las partes mviles del generador con el eje de las aspas, que

evita el uso de una caja multiplicadora de revoluciones. Estas cajas multiplicadoras

agregan vibraciones, ruido y fatiga al sistema de generacin, adems de requerir

lubricacin y mantenimiento

Los rotores, con los imanes que los componen actan como ventiladores, enfriando

los enrollados de estator

Se aumenta la eficiencia, al eliminar las corrientes de excitacin y las prdidas que

stas conllevan, con lo que finalmente se disminuye el costo de operacin del equipo

Alta relacin potencia/tamao

Se aumenta la confiabilidad del equipo al disminuir las piezas que lo componen

3.2 Aspa a utilizar para el diseo

Para otorgarle la mayor realidad posible al diseo de este aerogenerador, se

considerarn como datos de la hlice, datos reales de una hlice, los cuales fueron

obtenidos de [13]. Estos parmetros se muestran en las tablas (3.1) y (3.2):


36/129

26

Radio [/1] ngulo de paso []

0,179 28,10

0,266 22,900,343 19,100,421 17,200,498 15,300,575 13,500,652 11,600,730 10,100,807 08,800,884 08,200,961 07,30

0,994 06,921,000 06,85Tabla 3.1.: ngulo de paso de la hlice

Radio [/1]desde hasta

Perfil

0,00 0,42 NACA 230180,42 0,65 NACA 230120,65 1,00 NACA 23009

Tabla 3.2.: Perfiles aerodinmicos de la hlice

3.3 Diseo del generador

En esta etapa del trabajo se plantean como metas (1) lograr el diseo de pequeas

unidades aerogeneradores con generadores sincrnicos de flujo axial basados en el uso

de imanes permanentes, que puedan exigirse hasta una potencia de alrededor de 25 kW y

(2) especificar los diferentes equipos de electrnica de potencia que permitan la correcta

operacin de estos aerogeneradores. Los principales aspectos a tomar en cuenta, con el

fin de llevar a cabo el estudio, son los siguientes:

Eleccin de los imanes a utilizar, determinando claramente dimensiones y flujo

magntico de stos


37/129

27

Obtencin de la relacin entre velocidad de viento y rendimiento (Potencia del

viento vs potencia mecnica en eje) del aspa a utilizar para la confeccin de la

mquina

Especificacin del dimetro de la hlice requerida, de acuerdo a la potencia que se

desea para cada mquina, con lo que se obtiene

o Potencia nominal de cada mquina.

Definicin, en funcin de la potencia nominal de la mquina, de:

o Nmero de polos.

o Nmero de bobinas.

o rea de bobinas.

Realizar diagrama de conexin de enrollados de estator

Eleccin del conductor a usar en las bobinas, con el consiguiente clculo de:

o Resistencia por unidad de longitud.

o Inductancia por espira.

o Velocidad de desconexin por calentamiento de bobinas.

Clculo del nmero de espiras por bobina, con lo que se especifica el modelo (o

circuito equivalente). Dimensionamiento del cuerpo del generador, a fin de contar con el espacio suficiente

para la instalacin de imanes y bobinas

Con el modelo se debe, a continuacin, realizar la simulacin del comportamiento de

la mquina segn diversas razones de velocidad de punta, en funcin de la velocidad

de viento, conocindose de esta forma

o Mxima corriente de salida de la mquina.

o Nivel de tensin en bornes.

o Velocidad de viento de calentamiento de enrollados (de acuerdo a las

razones de velocidad de punta especificadas).

Con los datos anteriores, se pasa a la etapa de rectificacin. As, con los datos del

comportamiento de la mquina, segn su razn de velocidad de punta y la velocidad


38/129

28

de viento, se simula el comportamiento del equipo de rectificacin, obtenindose

para ste:

o Corriente media y corriente efectiva de los elementos semiconductores

del rectificador (variables que se definen en 3.4.1. y 3.4.2.).

o Tensin continua de salida.

o Corriente continua de salida.

Posteriormente se requiere especificar un sistema de control de tensin continua,

adems de un filtro, que estabilice el valor de la tensin a la salida del rectificador

de cada aerogenerador antes de la conexin con el control de tensin continua. En

este caso se logra obtenero Tipo de filtro y valores de sus componentes.

o Corriente y tensin de entrada y salida del equipo de control de tensin

continua.

o Ciclo de trabajo del equipo de control de tensin continua.

Especificacin de equipos de almacenamiento de energa

o Voltaje de cada unidad.

o

Corriente mxima de cada unidad.o Diagrama de conexin.

Luego se requiere especificar el equipo de inversin de tensin, y el filtro de la

tensin de salida, previa conexin a la red local de la comunidad. Se conoce as

o Corriente media y corriente efectiva de los elementos semiconductores

del equipo.

o Niveles de tensin y corriente a la entrada y salida del equipo.

o Tipo de filtro y valores de sus componentes.

Finalmente, se requiere un transformador elevador de tensin para poder transmitir

la energa generada en los niveles de tensin adecuados para los consumos


39/129

29

3.3.1. Eleccin de los imanes a utilizar

Para la confeccin de los discos de imanes, conjunto que corresponde al rotor del

generador, se consideran imanes de 14500 Gauss cada uno, siendo stos los de mayor

flujo que se encontraron en el mercado. Tienen forma trapezoidal y sus dimensiones son

aproximadamente las indicadas en la tabla 3.3.

Base 43 mm

Lados y parte superior 28 mm

Tabla 3.3.: Dimensionesde los imanes

3.3.2. Obtencin de la relacin entre velocidad de viento y coeficiente de

potencia de la mquina

Una de las principales variables que influyen en el coeficiente de potencia de un

aerogenerador es la Razn de Velocidad de Punta, RVP = (velocidad tangencial de lahlice)/(velocidad del viento). Esta magnitud est determinada por la velocidad del

viento y por la velocidad de rotacin del eje de la mquina; por tanto, si conoce la

velocidad del viento o se quiere simular el comportamiento de la mquina para ciertas

condiciones, slo basta conocer la velocidad de rotacin de la mquina para obtener la

RVP y as lograr conocer el coeficiente de potencia del aerogenerador. La forma de

conocer la velocidad de rotacin del eje del aerogenerador es mediante un anlisis de

curvas de torque, el que se describe a continuacin:

Modelacin de torque resistivo, en funcin de potencia consumida y frecuencia de

generacin, que se relaciona con la velocidad de rotacin del eje, dependiendo del

nmero de polos, como se muestra en (3.1) y (3.2)


40/129

30

=

2

2p

fmec

(3.1)

mec

e

r

DT

=

(3.2)

Donde:

mec: Velocidad angular de la mquina (rad/s).

f: Frecuencia del voltaje generado (Hz).p: Nmero de polos de la mquina.

Tr: Torque resistivo provocado por la carga elctrica (Nm).

De: Demanda elctrica (W).

Modelacin de torque til de la turbina en funcin del viento que sta capta y de la

inercia del rotor de la misma

dt

dJTT

ttu

=

(3.3)

=

2

3vACT Pt

(3.4)

Donde:

Tu: Corresponde al torque til, aprovechable por la mquinaTt: Corresponde al torque captado por la turbina

Jt: Corresponde al momento de inercia del disco central de la mquina ms el de las

aspas, las cuales, se modelan como barras para este caso

: Corresponde a la densidad del aire

A: Corresponde al rea de barrido de la mquina


41/129

31

v: Corresponde a la velocidad del viento

Interceptar ambas curvas, despejar de esta igualdad y encontrar una velocidad de

operacin

u rT T= (3.5)

Siguiendo este procedimiento se llega a una ecuacin de segundo grado, la cual

proporciona dos soluciones, y que adems lleva a enfrentar dos diferentes escenarios:

1. Que las soluciones a la ecuacin anterior sean complejas conjugadas, en cuyo

caso las curvas de torque motriz y de torque resistente no se interceptan, por lo

que no se cuenta con un punto de operacin de la mquina, debido a que el

torque de partida de la mquina es insuficiente como para ponerla en movimiento

y el aerogenerador no se mueve. En este caso las curvas son de la forma exhibida

en la figura 3.2.

Figura 3.2.: Soluciones complejas conjugadas


42/129

32

2. Que las soluciones a la ecuacin anterior sean reales, en cuyo caso las curvas de

torque motriz y de torque resistente se interceptan en dos puntos. En este caso se

debe realizar un anlisis de estabilidad mediante pequeas oscilaciones, puesto

que un solo punto (punto A) presentar torques restituyentes. Es decir, si la

mquina est en el punto A y por algn motivo aumenta su velocidad de giro, el

torque resistivo producido por las cargas (consumos elctricos), al ser mayor que

el torque motriz, lleva a disminuir la velocidad de giro de la mquina, y la deja

operando nuevamente en el punto A. En el caso de disminuir la velocidad de

giro, el torque motriz al ser mayor al torque resistivo, lleva la mquina aaumentar su velocidad y la deja operando tambin en el punto A. El otro punto

(B) presenter relaciones de torque inversas, que provocarn que la mquina

aumente idefinidamente su velocidad o la reduzca hasta llegar al punto estable A,

siendo imposible que permanezca en el punto de operacin B un tiempo

considerable. (Figura 3.3).

Figura 3.3.: Soluciones reales


43/129

33

3. Una vez que se conozca la velocidad de operacin de la mquina, es posible

conocer el coeficiente de potencia a partir de la RVP mediante la frmula (3.6)

[8]

( )( )

( )3

0, 44 0,0167 0,00184 315 0,3p

RVPC sen RVP

=

(3.6)

Donde:

: ngulo de paso de la hlice

Utilizando la frmula anterior, se puede graficar el coeficiente de potencia en

funcin de la RVP, exponiendo grficamente este comportamiento para la hlice

seleccionada. (Figura 3.4)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

Razon de velocidad de punta

CoeficientedePotencia

Figura 3.4.: Coeficiente de Potencia en funcin de la RVP


44/129

34

3.3.3. Especificacin de la hlice

Se plantea obtener una mquina que a la mayor velocidad de viento aceptada,

genere aproximadamente 25.000 W de potencia, con un voltaje alterno. Esta potencia se

elige luego de conocer las magnitudes que se ofrecen en el mercado para generadores de

estas caractersticas.

Para conocer la dimensin de las aspas del aerogenerador es necesario saber el

coeficiente de potencia o rendimiento de la hlice con el aspa que se pretende usar, para

as verificar que se cumpla el requisito de potencia a generar. As se tiene, por ejemplo,

que para el tipo de hlice elegida, el mejor coeficiente de potencia se obtiene para buena

razn de velocidad de punta de 10,4, y corresponde aproximadamente a CP = 43 %,

como se puede ver en la figura 3.4.

Luego, para especificar las aspas a utilizar, solo resta conocer el rendimiento del

sistema elctrico del generador. Generadores actuales tiene eficiencias sobre el 90%, sin

embargo, puesto que en este caso se trata de un generador de bajo costo, sin todas lasmejoras que pueden ayudar a lograr dichas eficiencias, se considera una eficiencia eun

poco menor, de 85%. De esta forma, suponiendo CP = 43%, E = 0,85 y utilizando la

ecuacin (2.6) se obtiene lo siguiente:

3

2

1vACPP

PETEE == (3.7)

Luego, de (3.7), se puede despejar un valor de r, a partir de un viento mximo de

generacin vmax y una densidad de aire mnima . Basndose en los datos recopilados

para la regin a analizar, datos que se exponen en el captulo siguiente, se toma una

densidad de aire crtica de 0,69 Kg/m3, y un viento mximo de generacin vmax de 14

m/s, con lo que se obtiene:


45/129

35

3maxmin2

1000.25000.25 vACWP PEE ==

(3.8)

3

25.0004,8

10,85 0, 43 0,69 14

2

r m

= =

(3.9)

3.3.4. Definicin de polos y bobinas

3.3.4.1. Nmero de polos y de imanes

El nmero de polos que presentar el aerogenerador tiene directa relacin con la

frecuencia del voltaje que se desea generar, relacin expresada en la frmula (2.7)

Se procurar generar un voltaje cuya frecuencia sea cercana a la frecuencia final

en la cual la energa ser utilizada, que corresponde a 50 Hz, y se considerar adems

que mientras mayor sea la frecuencia generada, ms se facilitar el alisamiento de la

corriente y se disminuir el rizado del voltaje a la salida del rectificador. Por otra parte,

las revoluciones por minuto a la que girar la mquina (ns) se obtiene de la ecuacin de

RVP, que relaciona la velocidad de viento y la velocidad angular del aerogenerador

(3.10)

rRVP

v

=

(3.10)

Donde:

: Velocidad angular (rad/s).

r: Radio del aerogenerador (m).

v: Velocidad del viento (m/s).


46/129

36

Reemplazando en (3.10) los valores antes expuestos de RVP y r, se llega a (3.11)

=

8,4

4,10 v

(3.11)

En rpm:

vvn

n

69,2028,4

604,10

2

60

=

=

=

(3.12)

Velocidad de rotacin que proporciona una frecuencia de generacin segn

(3.13)

vpvp

f

= 172,0120

69,20

(3.13)

Luego, dependiendo del viento, para obtener 50 Hz, se requieren:

504 72

0,172 4

508 36

0,172 8

50

10 300,172 1050

12 240,172 12

v m s p polos

v m s p polos

v m s p polos

v m s p polos

= =

= =

= =

= =

(3.14)


47/129

37

Es decir, para todos estos casos se requieren una gran cantidad de polos, lo cual

no se puede realizar debido a restricciones de espacio y de presupuesto, ya que el hecho

de implementar tantos polos encarecera demasiado el aerogenerador.

Sin embargo, la forma de operacin elegida, que consiste en una primera etapa de

rectificacin y luego otra de inversin, permite que la generacin sea a una frecuencia

distinta a los 50 Hz.

Por otro lado, si se desea utilizar al mximo el espacio del generador, al elegir el

nmero de polos como un mltiplo par de 3, es posible aprovechar el flujo generado portodos los imanes en todo momento, maximizando el uso de espacio.

As, se elige 18 polos, previendo un esquema de 6 bobinas por fase, y 18 bobinas

en total.

De esta forma se tiene (3.15):

4 0,172 18 4 12,4

8 0,172 18 8 24,8

10 0,172 18 10 31

12 0,172 18 12 37,2

v m s f Hz

v m s f Hz

v m s f Hz

v m s f Hz

= =

= =

= =

= =

(3.15)

Se puede concluir entonces que el aerogenerador ser de 18 polos, y dada la

configuracin a usar, de rotor delantero y trasero, ambos con imanes, luego se requiere

36 imanes para el desarrollo del aerogenerador. Sin embargo, dicha cantidad semodificar, tal como se explica ms adelante en este captulo, a un esquema de tres

discos con imanes y dos discos con bobinas, con lo que se llega a un total de 54 imanes.


48/129

38

3.3.4.2. Nmero de bobinas

Para este caso, el de un generador trifsico, se tiene la relacin (3.16) entre el

nmero de bobinas posibles de implementar y el nmero de polos del generador:

...3,2,13

=

= kk

pNb

(3.16)

Tomando k = 3, y colocando 18 polos en el generador, se requiere 18 bobinas (6

por fase), las cuales es posible conectarlas de forma tal que los campos enlazados por

ellas puedan sumarse.

Se concluye as que el generador tendr 18 bobinas

3.3.4.3. Tamao de las bobinas

Se requiere que las bobinas puedan enlazar la totalidad del flujo generado por los

imanes, por tanto deben poseer un rea mayor que la que poseen los imanes.

As se elige una bobina que sigue la forma del imn, con una holgura de 5 mm.

por lado, lo que la deja con tres lados de 38 mm. y uno de 53 mm., dando un permetro

total de 167 mm.

3.3.5. Diagrama de conexin de enrollados de estator

En una mquina elctrica trifsica, para que sus voltajes y corrientes resulten

equilibrados, sus bobinas deben, adems de ser del mismo nmero de vueltas y del

mismo tipo de cable, estar separadas por 120 elctricos, lo que corresponde a una

separacin fsica o geomtrica entre cada bobina de una fase con la de la otra fase de:


49/129

39

120

2

p

(3.17)

Donde p corresponde al nmero de polos de la mquina. As para este caso donde

el nmero de polos de la mquina es 18, la separacin angular entre una y otra bobina es

de 13,3.

A continuacin, en la figura 3.5, se ilustra el lugar de ubicacin de las bobinas

del estator, de acuerdo al nmero de polos de la mquina y el nmero de bobinas por

fase elegidas.

Figura 3.5.: Diagrama de ubicacin de bobinas del estator


50/129

40

3.3.6. Eleccin del conductor y clculo de parmetros de estator

Para este tipo de aplicaciones se recomienda utilizar cables cuyos tamaos vayan

entre 14 y 17 AWG, ya que esos tamaos son suficientemente gruesos como para

disminuir las prdidas hmicas, y a la vez suficientemente delgados como para poder

malearlos y confeccionar las bobinas. Por tanto, se ha elegido utilizar cables de cobre de

14 AWG para este caso.

El cable elegido, 14 AWG, presenta una resistencia caracterstica de 8,286 m/m

a una temperatura de 20C. Este valor aumenta en 4 /m por cada C de temperatura

[14].

3.3.7. Clculo del nmero de espiras por bobina

3.3.7.1. Voltaje por Espiras

Para calcular el nmero de espiras por bobina, se utiliza la siguiente ecuacin de

diseo (3.18):

ie ABfV = 44.4 (3.18)

Donde:

Ve: Voltaje por espira de la bobina.

f: Frecuencia del voltaje generado.

B: Densidad de flujo mximo que atraviesa la bobina.

Ai: rea del imn.


51/129

41

Por otro lado, combinando las ecuaciones (3.10), (3.12) y (2.7), se tiene:

60

120 2

p RVP vf

r

=

(3.19)

Donde:

p: Nmero de polos de la mquina.

RVP: Razn de velocidad de punta.

v: Velocidad del viento. r: Radio del aerogenerador.

Reemplazando (3.19) en (3.18), se concluye (3.20):

=

espiraVAB

r

vRVPpV

ie2120

6044,4

(3.20)

Si se toman 18 polos, una RVP de 10,4, un radio de 4,8 metros de largo, con una

densidad de flujo total de 2,9 Wb/m2 (correspondiente al caso de 2 discos de imanes en

que cada imn proporciona 1,45 Wb/m2) y un rea de los imanes de 958 x 10 -6 m2, se

llega a (3.21):

38,3emV

V vespira

= (3.21)


52/129

42

3.3.7.2. Espiras por Bobina

Los componentes elctricos que se utilizar en el diseo del aerogenerador no

solo especifican sus caractersticas, sino, adems imponen lmites de funcionamiento

que no deben violarse si no se desea degradar la vida til del equipo.

Para especificar los prximos valores de diseo, se utilizar una densidad de

corriente de 12 A/mm2, que corresponde a una magnitud un tanto alta comparada con la

usada normalmente en el diseo de equipos elctricos, pero esto se debe a lascaractersticas particulares de buena refrigeracin de este diseo:

La mquina estar sometida a corrientes de aire (viento), en forma constante, lo que

ayuda a la refrigeracin del equipo.

El lugar donde ser instalado el equipo, como se ver en el prximo captulo, est a

3.700 metros sobre el nivel del mar aproximadamente, lugar donde la temperatura es

ms bien baja.

Las velocidades mayores de viento para la localidad, como se ver en el prximo

captulo, se registran por la noche, en esas horas la temperatura ambiental es ms

baja, ayudando a la refrigeracin del equipo en el momento de mxima exigencia.

El equipo no estar enclaustrado en alguna estructura que impida la buena

ventilacin de ste, sino ms bien estar prcticamente en contacto con el exterior.

Luego de lo expuesto, se justifica la eleccin anterior de densidad de corriente

para el diseo de la mquina. Adems se fija como lmite, de operacin esta misma

densidad de corriente de 12 A/mm2, con lo cual se deber desconectar el equipo si la

densidad excede este valor. As se tiene:


53/129

43

rea del cable 14 AWG = 2,08 mm2.

Densidad de corriente mxima = 12 A/mm2.

Corriente de desconexin = 25 A.

Sin embargo, disear el generador basndose en la velocidad promedio dara

como resultado un equipo subdimensionado, que debera salir de funcionamiento en

repetidas ocasiones. Por tanto, el diseo se har pensando en que el equipo sea capaz de

operar durante el 95 % del tiempo, tolerando un viento mximo de 14 m/s (50,4 km/h),

datos que se exponen en el captulo siguiente, y adems considerando que el

aerogenerador debe operar durante todo el ao, y por lo tanto enfrentar mayores

densidades del aire, como la de Diciembre que corresponde a 0,78 kg/m 3.

Segn lo expuesto, la potencia elctrica es la que resulta en (3.22) y (3.23)

2 310,85 0,43 4,8 0,78 14 28,32E

P kW= (3.22)

3 1 1

3 9,44P P P kW

= (3.23)

As:

( )

VV

VIVP

Suponiendo

410

440.993,02593,0

93,0cos

1

==

=

(3.24)

Finalmente, considerando un diseo que funcione para vientos hasta 14 m/s


54/129

44

( ) ( ) ( ) senxrIvVNV ggdesceefn + cos6 (3.25)

( ) ( ) ( )( )3 3 2 7 6 3

410 6 38,3 10 14 25 8, 26 10 0,2 0,93 4 10 958 10 14,67 0,37e e eN N N

= + bobinaespirasNe /130

Donde Ve(vdesc) corresponde al voltaje inducido por espira evaluado a vdesc. Las

expresiones ocupadas para rg y xg se explican en 3.3.9

Esta cantidad de espiras es demasiado alta como para implementarse en un solo

disco de espiras, luego, se decide utilizar dos discos de espiras y tres de imanes,

obteniendo como flujo enlazado el triple del proporcionado por cada imn.

Luego, repitiendo el procedimiento de clculo, ahora para un valor de flujo de

4,35 Wb/m2, se obtiene un diseo de 86 espiras en total, lo que implica colocar 43

espiras en cada disco de bobinas. Sin embargo, para redondear los valores, se colocarn

90 espiras en total, con lo que es posible colocar 45 espiras por bobina por disco en 9

capas de 5 espiras cada, con lo que se aumentar un poco la potencia mxima obtenida.

3.3.8. Dimensionamiento del cuerpo del generador

Para poder dimensionar el cuerpo del aerogenerador, es necesario especificar la

forma que tendrn las bobinas, de que forma se har el arreglo de 18 bobinas por disco.

Para este caso se escoge realizar 9 capas de 5 espiras concntricas cada una, luego si el

dimetro del cable AWG 14 es de 1,63 mm, entonces los lados de la bobina exterior sonde 69,3 x 54,3 mm., lados A y B respectivamente de la figura 3.6., en donde se muestra a

modo ilustrativo el disco con dos bobinas una al lado de la otra adems de un imn


55/129

45

Figura 3.6.: Diagrama del cuerpo del generador

As, denominando b al ngulo formado por el tramo R y el tramo A,

considerando que se tiene un triangulo issceles, el radio del disco, correspondiente al

trazo R mostrado en la figura, debe ser:

( )( )asen

AbsenR =

(3.26)


56/129

46

Donde :

A: 69,3 mm

a: 13,3, la separacin entre una y otra bobina dentro del disco

b: 83,35

Se obtiene finalmente el tamao del cuerpo del aerogenerador, el que

corresponder a un disco de 30 centmetros de radio.

3.3.9. Modelo equivalente de la mquina

El largo promedio de cada espira se obtiene mediante el clculo siguiente (3.27):

( ) ( )3 54,3 69,3 3 38 53200

2l mm

+ + +=

(3.27)

Luego la resistencia de estator por fase, corresponde a:

8, 286 0, 2 90 150g

r m= = (3.28)

Ahora, para obtener el valor de la inductancia de fase del generador, se aplica la

ley circuital de Ampre (3.30):


57/129

47

l

ANL

L

NiLiN

NiAl

HBNildH

02

0

0;

=

==

=

==r

(3.29)

Donde:

0 = Permeabilidad magntica del vaco (por que el recorrido del flujo lo hace por aire,

entonces se aproxima al valor en el vaco) 4 x 10 -7 Henry/m

N = Nmero de espiras por fase

l = Largo que recorre el flujo

A = rea por la que atraviesa el flujo, que corresponde al rea del imn, con un valor de

958 mm2

Para el clculo, es necesario considerar todas las espiras de una fase, las que

corresponden a 540, sin embargo, no es posible considerarlas todas como una sola gran

bobina, sino, se deben calcular las espiras por cada polo y luego multiplicar este valor

por el nmero de polos de la mquina, ya que de esta forma se suman inductancias que

estn en cuadratura magntica y no tienen interacciones que produzcan inductancias

mutuas

As,

mHL 63,01078,9

1095810418

540

183

672

=

=

(3.30)


58/129

48

Conocidos los valores de la resistencia e inductancia de estator, se obtiene el

modelo equivalente de la mquina que se ilustra en la figura (3.7)

Figura 3.7.: Modelo equivalente de la mquina

3.3.10. Programa de simulacin de rgimen estacionario

El programa de simulacin del comportamiento de la mquina realiza los

siguientes pasos en forma consecutiva, a fin de lograr conocer todas las variables del

comportamiento de la mquina.

En este caso se desea visualizar la respuesta de estado estacionario de la

mquina, para diversas velocidades de viento, por tanto se ingresa una RVP y un paso de

simulacin v, correspondiente a la magnitud, en m/s, en que se ir variando la

velocidad del viento a lo largo de la simulacin.

1. Se calcula la velocidad de viento con que se va a simular, como la velocidad dela simulacin anterior ms el paso que se eligi para la simulacin.

( ) ( )1v k v k v+ = +

2. Tomando la RVP, se obtiene, a partir de la velocidad del viento, la velocidad de

rotacin de la mquina , en rad/seg.


59/129

49

3. Luego, se calcula el coeficiente de potencia de la hlice, tomando como datos la

RVP y el ngulo de paso. Como este ltimo vara a lo largo de la hlice, se

obtiene un vector con diversos valores del coeficiente de potencia, los cuales

tendrn distintas reas de barrido lo que influenciar en la eficiencia de la hlice.

4. Con los diversos coeficientes de potencia conocidos, stos se utilizan para

calcular la potencia extrada del viento en su rea de influencia, para luego sumar

todas estas potencias y obtener la potencia total extrada por la hlice desde el

viento.

5. Despus se calcula el torque total de la turbina, mediante el cuociente entre la

potencia recin calculada y la velocidad de rotacin .6. Posteriormente, se puede calcular el torque til mediante (3.3). Sin embargo, se

desea conocer la respuesta de rgimen estacionario por el momento, por lo que se

considera = cte, lo cual implica que el valor de la derivada de la velocidad de

rotacin con respecto al tiempo sea nula, obtenindose un torque til equivalente

al torque total, sin utilizar parte de este torque en acelerar la mquina desde una

velocidad 1 a otra velocidad 2 mayor.

No obstante, ste ser el mtodo a seguir cuando se realicen las simulacionesdinmicas de la mquina.

7. Conocido el torque til, se calcula la potencia elctrica generada por ste, al

multiplicarlo por la velocidad de rotacin , y se sigue con el clculo de todas

las otras variables, segn lo expuesto en (3.26).


60/129

50

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( ) ( )( ) ( )

=

+=

=

=

=

=

=

=

viento

electricaP

gglineafnfn

fn

electrica

linea

espiraporespirasbobinasfn

espirapor

g

P

PC

VsenxrIEV

AV

PI

VVNNE

VfABV

Lfx

Hznpf

rpmn

coscos3

44,4

2120

2

60

(3.31)

8. Se vuelve al punto 1., hasta que la corriente de lnea alcance el valor fijado como

mximo y la mquina se deba desconectar


61/129

51

Figura 3.8.: Esquema de funcionamiento del programa de simulacin

Calcular la velocidad deviento para el instante de

simulacin.

( ) ( )1v k v k v+ = +

Calcular w con RVP y velocidad deviento.

( )( )1

1RVP v k

w kR

++ =

Calcular Cp y la potencia extradadel viento

Calculo de variableselctricas y mecnicas:

rpm, frecuencia, voltaje,corriente

Verificar valor de lacorriente: Mayor que lacorriente mxima?

NO

SI

Obtener viento de desconexin yotencia mxima de la m uina


62/129

52

A continuacin se resumen las caractersticas de la mquina y se muestran los

resultados obtenidos en la simulacin.

Radio de 4,8 metros, 6 bobinas por fase, de 90 espiras cada una, densidad de

corriente de desconexin de 12 A/mm2, cable AWG 14 y una densidad de flujo de 1,45

Wb/m2 de cada imn, tres discos de imanes y dos discos de bobinas, con bobinas de 45

espiras cada una, ambas conectadas en serie.

Figura 3.9.: Resultados de la simulacin


63/129

53

RVP Velocidad de desconexin [m/s] Potencia Mxima [kW]

4 19,79 16,21

6 14,42 17,74

8 13,73 22,60

10 14,34 29,55

12 16,11 39,95

Tabla 3.4.: Resumen resultados de la simulacin

Por ltimo, realizando la simulacin para una RVP de 10,4, se obtiene lo

siguiente:

Figura 3.10.: Resultados de la simulacin RVP = 10,4


64/129

54

Parmetro Valor

Potencia mxima de salida 31,27 kW

Velocidad de viento de desconexin 14,6 m/s

Voltaje fase neutro mximo 449 V

Frecuencia mxima 45,31 Hz

Tabla 3.5.: Resumen resultados de la simulacin RVP = 10,4

3.4. Equipos de electrnica de potencia

El esquema de electrnica de potencia a utilizar, tiene como objetivo principal la

regulacin del suministro de la energa elctrica, procurando un nivel de tensin y

frecuencia constantes. Para lograrlo, es necesario considerar las caractersticas del

sistema de generacin, el cual est conformado por un conjunto de generadores de imn

permanente (sin regulacin de tensin), los que operan a tensin y frecuencia variables,

no sincronizadas entre s (independientes).

Teniendo esto en consideracin, la regulacin mediante el uso de equipos de

electrnica de potencia debe dividirse en las siguientes etapas:

1. Etapa de rectificacin (polifsica): Rectificadores tipo puente trifsico de diodos

2. Filtro LC: alizamiento de la corriente y almacenamiento de energa durante los

perodos de apertura del chopper.

3. Regulador de tensin del tipo chopper clase A: cumpliendo una funcin de

regulacin de tensin y corriente de acuerdo al rgimen de carga de las bateras.4. Banco de bateras.

5. Rectificador controlado operando en inversin.

6. Transformador (D-Y) elevador de tensin.

7. Filtro de armnicas y correccin del factor de potencia.


65/129

55

8. Lnea de transmisin en BT hasta punto de conexin con la red de distribucin

local.

Cabe mencionar que las especificaciones de los filtros anteriormente

mencionados no se abordar por alejarse demasiado del tema central del presente

trabajo.

Antes de comenzar a especificar los equipos de electrnica de potencia es

necesario introducir algunos conceptos con respecto a los sistemas de rectificacin.

3.4.1. Corriente media de los elementos semiconductores

Viene dada por la integral de la magnitud de corriente que circula el elemento

durante un ciclo, como se expresa en (3.32):

( ) ( ) q

Idtti

TavI CC

T

dd == 01

(3.32)

Donde:

T: Perodo, equivalente a 1/f

id(t): Corriente que circula por el elemento en el instante t

q: Nmero de conmutaciones consecutivas de la corriente continua que circula por un

elemento


66/129

56

3.4.2. Corriente efectiva de los elementos semiconductores

Viene dada por la raz cuadrada de la integral del cuadrado de la corriente que

circula por el elemento durante un ciclo, como se expresa en (3.33):

( ) ( )2

0

1 T CCd d

II rms i t dt A

T q= =

(3.33)

Cabe destacar que esta relacin se cumple para el modelo rectangular decorrientes, es decir, cuando no se consideran los tiempos de conmutacin entre uno y

otro elemento semiconductor, suponiendo una conmutacin instantnea de toda la

corriente que circula por cada uno de ellos. Las aproximaciones introducidas por dicho

modelo no son de mayor relevancia para el tema central de este trabajo y se utilizar en

adelante, ya que solo influir en el clculo de las prdidas por disipacin en los

elementos semiconductores, las que son de todas formas despreciables.

3.4.3. Voltaje reverso repetitivo mximo (VRRM)

Corresponde al mayor voltaje inverso que el elemento es capaz de tolerar en

forma repetitiva, antes de que ste sufra algn dao. Esta magnitud es importante ya que

dada la forma de funcionamiento del puente de Graetz, los elementos semiconductores

se ven sometidos a voltajes inversos en forma repetitiva, cuya magnitud corresponde a

raz de dos veces la tensin fase fase del equipo, luego, si el elemento no est diseado

como para soportar este nivel de tensin inversa en forma repetitiva, el elemento se

degradar y quemar, inutilizando el equipo.


67/129

57

En las figuras (3.11) y (3.12) se muestran las caractersticas voltaje-corriente de

un diodo y de un rectificador de silicio controlado (SCR) o tiristor [15], donde se aprecia

lo que sucede con el elemento cuando ste es sometido a una tensin inversa mayor a la

que ste est diseado para tolerar, correspondiente al breakdown voltaje o maximun

reverse voltage. No obstante, el voltaje reverso repetitivo mximo corresponde a un

nivel de voltaje menor (en magnitud absoluta), al breakdown voltage, puesto que el

elemento debe ser capaz de resistirlo en forma repetitiva, sin mermar su vida til.

Teniendo esto en cuenta, se especificarn elementos semiconductores cuyos

valores de VRRM sean el doble del voltaje inverso mximo al que estos sean sometidos enoperacin normal, para que as los elementos puedan tolerar transientes que se pudieran

producir, por diversas causas, como se muestra en (3.34)

max22 ffRRM VV = (3.34)

Figura 3.11: Caracterstica voltaje-corriente de un diodo


68/129

58

Figura 3.12: Caracterstica voltaje-corriente de un SCR

3.4.4. ngulo de conmutacin

La presencia de reactancia en el lado de alterna de un equipo de electrnica de

potencia, conversor ya sea AC/DC o DC/AC, obliga a una transferencia gradual de la

corriente ICC de un elemento semiconductor a otro, con lo cual habr una conduccinsimultnea de dos elementos. Esto, se traduce en una modificacin de la onda de

corriente en el elemento semiconductor y una reduccin de la tensin continua a la

salida, en el caso de un rectificador.


69/129

59

La duracin de la transferencia se expresa mediante el ngulo de conmutacin u,

dando origen a la ecuacin de conmutacin, expresada en (3.35)

( )

( )

( )

1 cos

2 22

CC

m

u I p L

sen pV

p

=

(3.35)

Donde:

Vm: Valor mximo de la tensin rectificada

p: Nmero de pulsos de voltaje durante un ciclo

L: Inductancia que genera el efecto de conmutacin gradual de los elementos

semiconductores

3.4.5. Especificacin del equipo de rectificacin

Se elige como sistema de rectificacin, un puente de Graetz de 6 pulsos, debido a

su masivo uso en la industria y fcil implementacin. Para esto se planea conectar cada

mquina a un rectificador propio, ya que al estar funcionando todas en forma

independiente, se producen diferencias en las formas de onda generadas por cada

mquina, lo que imposibilita conectarlas todas a un solo rectificador.

El circuito correspondiente a un rectificador de tipo puente de Graetz

DISEÑO DE AEROGENERADORES CON IMANES

Documents

Transcript of DISEÑO DE AEROGENERADORES CON IMANES